[논문 리뷰] Quantum computation by optically coupled steady atoms/quantum-dots inside a quantum electro-dynamic cavity

Prabhakar Pradhan, M. P. Anantram외 1명|ArXiv.org|2000. 02. 02.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 높은 품질 인식도를 가진 캐비티에 갇힌 정적 3준위 원자 또는 양자점들을 사용하여 확장 가능한 양자 컴퓨팅 아키텍처를 제안한다. 이는 개별 큐비트를 제어하기 위해 스타크 효과를 활용하고, 캐비티 광자를 공통 모드 큐비트로 사용하여 보편적인 양자 게이트를 실현한다. 이 모델은 한 개의 큐비트 회전과 양자 제어 위상 연산을 통해 보편적인 양자 계산을 가능하게 하며, 비파괴 시간이 운영 주기보다 약 10⁶ 배 이상 길어 고장 내성 계산에 실현 가능하다.

ABSTRACT

We present a model for quantum computation using n steady 3-level atoms or 3-level quantum dots, kept inside a quantum electro-dynamics (QED) cavity. Our model allows one-qubit operations and the two-qubit controlled-NOT gate as required for universal quantum computation. The n quantum bits are described by two energy levels of each atom/dot. An external laser and n separate pairs of electrodes are used to address a single atom/dot independent of the others, via Stark effect. The third level of each system and an additional common-mode qubit (a cavity photon) are used for realizing the controlled-NOT operation between any pair of qubits. Laser frequency, cavity frequency, and energy levels are far off-resonance, and they are brought to resonance by modifying the energy-levels of a 3-level system using the Stark effect, only at the time of operation.

연구 동기 및 목표

• 기존의 이온 트랩 및 캐비티-QED 시스템과 같은 양자 컴퓨팅 플랫폼에서의 확장성과 개별 큐비트 제어 과제를 해결하기 위해.
• 캐비티-QED에서 움직이는 원자를 피하기 위해 고정된 원자 또는 양자점을 제안하여 안정적이고 반복 가능한 운영을 가능하게 하기 위해.
• 공통 모드 캐비티 광자를 통해 한 개의 큐비트 회전과 두 개의 큐비트 제어 위상 게이트만을 사용하여 보편적인 양자 계산을 실현하기 위해.
• 게이트 운영 시간에 비해 매우 긴 비파괴 시간을 확보하여 약 10⁶의 비율을 달성함으로써 고장 내성 양자 계산에 필수적인 조건을 만족시키기 위해.
• 외부 전극과 레이저를 사용한 제어를 가능하게 하며, 캐비티-QED와 이온 트랩 아키텍처의 장점을 결합한 고체 상태 호환 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 큐비트는 각 3준위 원자 또는 양자점의 두 낮은 에너지 수준에 인코딩되며, 세 번째 수준은 제어 상호작용에 사용된다.
• 국소 전극에 외부 전압을 가하여 스타크 효과를 이용해 타겟 큐비트의 에너지 수준만을 이동시켜 개별 큐비트를 제어한다.
• 캐비티 광자는 임의의 두 큐비트 간의 얽힘을 공명 상호작용을 통해 매개하는 공통 모드 큐비트로 기능한다.
• 제어 위상 연산은 타겟 큐비트와 캐비티를 순차적으로 공명 상태로 만들고, Rabi 진동 주기 π/Ωc를 거친 후 π 펄스를 통해 상태를 교환함으로써 실현된다.
• 비공명 상태에서의 진동을 최소화하기 위해 큰 이탈(δ ≈ 4×10⁶ Hz)을 유지함으로써 비작동 기간 동안 상당한 위상 축적을 방지한다.
• 측정은 큐비트를 캐비티에 공명적으로 연결하여 상태를 광자로 전달하고, 외부에서 그 광자를 검출함으로써 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 큐비트마다 별도의 레이저가 필요 없이 국소 전기장만으로 개별 큐비트를 제어할 수 있는가?
• RQ2 확장 가능한 아키텍처에서 공통 모드 캐비티 광자가 어떤 두 큐비트 쌍 간의 보편적인 두 큐비트 얽힘 게이트를 매개할 수 있는가?
• RQ3 고정된 원자 또는 양자점으로 이루어진 캐비티 시스템에서 게이트 운영 시간에 비해 매우 긴 비파괴 시간을 유지하는 것이 가능한가?
• RQ4 비공명 상태에서의 위상 진동은 충분히 억제되어 신뢰할 수 있는 게이트 운영을 가능하게 하는가?
• RQ5 이 모델은 긴 공명 시간을 가진 양자점으로 고체 상태 시스템으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 비파괴 시간과 게이트 운영 시간의 비율이 약 10⁶에 도달하여, 비파괴 창 내에서 최대 약 10⁶회의 운영이 가능함을 보여준다.
• ωge₀ ≈ 5×10¹⁰ Hz, Ωc ≈ 4×10⁵ Hz, δ ≈ 4×10⁶ Hz인 라이드베르크 원자에서는 큰 이탈으로 인해 비공명 상태에서의 위상 진동이 무시할 수 있을 정도로 작다.
• ωge₀ ≈ 1 THz 및 Ωc ≈ 10⁸ Hz인 양자점의 경우, 위상 공명 길이가 1/Ωc를 초과하면 시스템은 공명을 유지할 수 있으며, 이는 고립되고 설계된 양자점으로서 실현 가능하다.
• 스타크 이완을 사용함으로써 공간적으로 집중된 레이저가 필요 없이 개별 큐비트를 선택적으로 제어할 수 있어 확장성이 보장된다.
• 제어 위상 게이트는 공명 Rabi 진동과 π 펄스의 순차적 실행을 통해 실현되며, 각 운영 후 캐비티는 진공 상태로 복귀된다.
• 큐비트 상태를 공명 결합을 통해 캐비티 광자로 전달하고 외부에서 방출된 광자를 검출함으로써 최종 상태 측정이 가능하다.